(57)【要約】【課題】  大きな環境温度変化に対しても、安定で動作する高精度な半導体レーザーモジュールを提供する。【解決手段】  パッケージングされた波長４５０ｎｍ以下の半導体レーザーから発した光を、レンズを介して光ファイバーに入射する半導体レーザーモジュールにおいて、レンズ焦点距離をｆ、レンズ光学系倍率を−ｍとすると、ｆ（１＋ｍ）２≦２００（ｍｍ）であることを特徴とする。【選択図】  図１
2007094293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージングされた波長４５０ｎｍ以下の半導体レーザーから発した光を、レンズを介して光ファイバーに入射する半導体レーザーモジュールにおいて、
レンズ焦点距離をｆ、レンズ光学系倍率を−ｍとすると、
ｆ（１＋ｍ）２≦２００（ｍｍ）
であることを特徴とする半導体レーザーモジュール。
【請求項２】
前記半導体レーザーと、前記レンズと、前記光ファイバーと、前記光ファイバーを保持する保持部材とが一体型モジュール構造内に設けられており、前記モジュール内の少なくとも一つの空間に吸着剤を備えていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザーモジュール。
【請求項３】
前記吸着剤は、多孔質のフッ素系シートで被われた活性炭を含むものであることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザーモジュール。
【請求項４】
光学部品を保持する保持部が、光ファイバー保持部、半導体レーザー保持部、ガラス保持部からなり、光ファイバー保持部とガラス保持部間にあるガラスを紫外光硬化樹脂で接着、固定する構造を有し、前記ガラス保持部は、線膨張係数の大きいＡ部と、線膨張係数の小さいＢ部を一体化したものからなり、前記Ｂ部は前記ガラスと接着されていることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザーモジュール。
【請求項５】
前記半導体レーザー保持部及び前記Ａ部はステンレス系、前記Ｂ部はインバー材或いはコバール材であることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザープリンターのような光記録分野において、波長４０５ｎｍの半導体レーザーと光ファイバーアレイとを組み合わせ、光ファイバーアレイからのマルチビームを利用する光学系が提案されている。
【０００３】
この光学系では、半導体レーザーの波長が赤外光を用いる光通信分野と異なり、０．４０５μｍと短いため、シングルモード光ファイバーの光伝播部であるコア径も、これに対応して４μｍ程度と小さくなっている。この小さなコア系に安定してレーザー光を入射させ、環境温度変化があっても光ファイバー出力が安定している信頼性が高い半導体レーザーモジュールを製作することは困難である。
【０００４】
図２に、従来の半導体レーザーモジュールの構造及び組立方法を示す。
【０００５】
このモジュールでは、波長４０５ｎｍの紫色半導体レーザー１からの光をレンズ１２で光ファイバー１０に導いている。この半導体レーザーモジュールの光学部品を保持する保持部は、光ファイバー保持部１３、半導体レーザー保持部２、ガラス保持部４からなっている。光ファイバーの光入射端面は斜め研磨されており、この端面で反射した光がレーザー光に戻らないようにしている。光ファイバー保持部１３には、前もって、穴明き石英ガラス７を界面で接着しておき、次に、光ファイバー入射端面にレーザ光が焦点を結ぶように、ガラス保持部４を光軸方向に変位させ、調節し、図中Ｓの黒丸で示されている場所でレーザー溶接によりスポットで固定する。この光軸焦点合せは２０μｍ程度の誤差が許容されるので容易に実施可能である。
【０００６】
一方、穴明き石英ガラス７を界面で接着した光ファイバー保持部１３は、光軸に垂直方向に変位、調節することで光ファイバー出力光パワーを最大にし、穴明き石英ガラス７とガラス保持部４の間に充填した紫外光硬化樹脂をガラス表面からランプで照射することで接着、硬化させる。この調節及び固定は、０．５μｍ以下の精度で行う必要がある。この必要精度を得ることはレーザー溶接では困難であったため、紫外光硬化樹脂による固定が選択されている。
【０００７】
半導体レーザーは、環境温度により波長が変動し、この波長変動でレンズの焦点位置が変動する現象を生じる。これは、レンズの色収差が原因であるが、波長が短くなるほど色収差の影響が大きくなるので、短波長レーザーを扱うほど困難さが増すことになる。この色収差による結像ずれを補償する目的で、図２に示すような従来の半導体レーザーモジュールでは、半導体レーザー保持部２の材質を、線膨張係数の大きいステンレス系の部材を用いていた。一方、穴明き石英ガラスが接着されているガラス保持部４は、線膨張係数の小さいガラスに合わせるために、インバーあるいはコバールのような材質が選ばれていた。
【０００８】
ところで、この構造では２０℃程度の環境温度変化が小さい場合は問題ではなかったが、環境温度変化が５０℃のように大きい場合、半導体レーザーの波長変動で色収差による結像点が大きくずれ、光ファイバ出力変動が生じたり、半導体レーザー保持部２とガラス保持部４間の膨張率の差で、穴部６のレーザースポット溶接部に大きな応力が作用し、変形が発生し、光ファイバー出力が低下する問題が生じた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、大きな環境温度変化に対しても、安定で動作する高精度な半導体レーザーモジュールを提供することである。また、紫色半導体レーザーのような波長の短いレーザー光を用いる場合に問題になる光学部品表面への異物汚染による光学特性の劣化を防止した半導体レーザーモジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は、パッケージングされた波長４５０ｎｍ以下の半導体レーザーから発した光を、レンズを介して光ファイバーに入射する半導体レーザーモジュールにおいて、レンズ焦点距離をｆ、レンズ光学系倍率を−ｍとすると、
ｆ（１＋ｍ）２≦２００（ｍｍ）であることを特徴とする。
【００１１】
また、前記半導体レーザーと、前記レンズと、前記光ファイバーと、前記光ファイバーを保持する保持部材とが一体型モジュール構造内に設けられており、前記モジュール内の少なくとも一つの空間に吸着剤を備えていることを特徴とする。
【００１２】
また、前記吸着剤は、多孔質のフッ素系シートで被われた活性炭を含むものであることを特徴とする。
【００１３】
また、光学部品を保持する保持部が、光ファイバー保持部、半導体レーザー保持部、ガラス保持部からなり、光ファイバー保持部とガラス保持部間にあるガラスを紫外光硬化樹脂で接着、固定する構造を有し、前記ガラス保持部は、線膨張係数の大きいＡ部と、線膨張係数の小さいＢ部を一体化したものからなり、前記Ｂ部は前記ガラスと接着されていることを特徴とする。
【００１４】
更に、前記半導体レーザー保持部及び前記Ａ部はステンレス系、前記Ｂ部はインバー材或いはコバール材であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、大きな環境温度変化に対しても、安定で動作する高精度な半導体レーザーモジュールを提供可能である。
【００１６】
また、紫色半導体レーザーのような波長の短いレーザー光を用いる場合に問題となる光学レンズの大きな色収差による焦点位置ずれを補正した半導体レーザーモジュールを提供可能である。
【００１７】
更に、紫色半導体レーザーのような波長の短いレーザー光を用いる場合に問題になる光学部品表面への異物の付着、吸着による光学特性の劣化も防止した半導体レーザーモジュールを提供可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図３を用いて、本発明に用いる半導体レーザーモジュールの動作原理について説明する。
【００１９】
レンズの焦点距離をｆ、倍率を−ｍとする。以後、簡単のため倍率の絶対値を倍率と称すこともあるが、厳密には、倍率は負の値である。
【００２０】
半導体レーザー１とレンズ１２間の距離をａ、ホルダの線膨張係数をα２、レンズ１２と光ファイバー間の距離をｂ、ホルダの線膨張係数をα３、レンズ１２の線膨張係数をα１とし、環境温度がΔＴ変動したことによる光ファイバと結像点の光軸方向のずれに関して計算する。
【００２１】
（１）レンズ１２の色収差およびレンズの熱膨張に起因する結像点移動に関して、環境温度の変化で半導体レーザーの波長がΔλ変化したとすると、レンズに用いているガラス材の屈折率もΔｎ変化し、結像点がずれる。波長の分散能Ｄを次式とおく。
【００２２】
−Δｎ／（ｎ−１）−Δｎ／（ｎ−１）＝ＤΔλ   ・・・・・・（式１）
また、レンズの膨張により、レンズ焦点距離の変化Δｆは次式で表される。
【００２３】
Δｆ＝ｆα１ΔＴ                                ・・・・・・（式２）
以上、波長の変化および膨張が起因するレンズにより生じる結像点ずれΔｂ１は次式で算出できる。
【００２４】
Δｂ１＝ｆ（１＋ｍ）２（ＤΔλ＋α１ΔＴ）        ・・・・・・（式３）
（２）ホルダの熱膨張に起因する結像点移動に関して、半導体レーザー１とレンズ１２間の距離が膨張することによる結像点の移動Δｂ２は次式で求められる。
【００２５】
Δｂ２＝−ｆ（１＋ｍ）ｍα２ΔＴ                 ・・・・・・（式４）
（３）レンズ１２と光ファイバー間の距離の熱膨張による光ファイバと結像点のずれΔｂ３に関して、
Δｂ３＝−ｆ（１＋ｍ）α３ΔＴ                   ・・・・・・（式５）
本発明の対象とする、波長４５０ｎｍ以下という短波長の光を用いる場合、式３のＤの項が著しく大きく、この色収差による結像点ずれを補正するため、（式４）、（式５）で示されたホルダの線膨張係数を大きくすることが必要となる。
【００２６】
ホルダの膨張は大きい事が望ましいので、半導体レーザー１とレンズ１２間、及びレンズ１２と光ファイバ間のホルダを線膨張係数の大きい同一材料を用いるとし、α２＝α３とすると、（式３）、（式４）、（式５）から次式が求められる。
【００２７】
Ｅ＝Δｂ１＋Δｂ２＋Δｂ３
＝ｆ（１＋ｍ）２ΔＴ（ＤΔλ／ΔＴ＋α１−α２）  ・・・・・（式６）
ここで、Ｅは光ファイバと結像点の焦点ずれ量である。
【００２８】
波長４５０ｎｍ以下のレーザー光をシングルモード光ファイバに安定して結合させるためには、Ｅ≦２０μｍ程度を満足させる必要がある。使用温度範囲ΔＴ＝５０℃内でこれを満足させるには、次の方法がある。
［要請１］  ＤΔλ／ΔＴ＋α１−α２＝０、あるいは極力小さくする。
［要請２］  レンズ焦点距離ｆ、及び光学系倍率ｍを小さくする。
【００２９】
図４に、典型的なガラス材料Ｍ−ＢａＣＤ５の波長１ｎｍ変化当たりの分散能（式１のＤ）を計算した結果を示す。波長４５０ｎｍから急激に大きな分散能になっていることが分かる。即ち、Ｄは波長４５０〜４００ｎｍの範囲では、１０×１０−５〜１６×１０−５である。
【００３０】
波長４０５ｎｍ付近で発光する半導体レーザーの環境温度変化による波長変化量はΔλ／ΔＴ＝０．０７ｎｍ／℃、また、レンズのガラス材料の線膨張係数はα１＝７×１０−６（１／℃）であり、ＤΔλ／ΔＴ＋α１＝１４×１０−６〜１８×１０−６（１／℃）となるので、［要請１］を満足させるためには、半導体レーザーモジュールのホルダとして、しばしば用いられるコバール（線膨張係数α２＝５．３×１０−６（１／℃））、或いはインバー（線膨張係数α２＝１．２×１０−６（１／℃））では不満足で大きな線膨張係数を持つＳＵＳ３０４（線膨張係数α２＝１６．４×１０−６（１／℃））が有利になる。
【００３１】
しかし、このような材料を用いても、線膨張係数において２×１０−６（１／℃）の隔たりがあり、［要請１］を完全に満たすことが出来ない。従って、更に［要請２］を用いて、レンズ焦点距離ｆ、光学系倍率ｍを、下記の（式７）に従って設定すると高信頼な半導体レーザーモジュールが実現可能となる。
【００３２】
ｆ（１＋ｍ）２＝Ｅ／［ΔＴ（ＤΔλ／ΔＴ＋α１−α２）］≦２００（ｍｍ）
・・・・・（式７）
但し、Ｅ≦２０μｍ、ΔＴ＝５０℃としている。
【００３３】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００３４】
図１に、本発明の一実施例である半導体レーザモジュール１の模式図を示す。
【００３５】
このモジュールでは、波長４０５ｎｍの紫色半導体レーザー１からの光をレンズ１２で光ファイバー１０に導いている。この半導体レーザーモジュールの光学部品を保持する保持部は、光ファイバー保持部１３、半導体レーザー保持部２、ガラス保持部１４からなっている。
【００３６】
ガラス保持部１４は後述するように、異なった線膨張係数の材料で製作されたＡ部，Ｂ部からなり、Ａ部，Ｂ部の界面Ｐは隙間無く全周レーザー溶接されている。光ファイバーの光入射端面は斜め研磨されており、この端面で反射した光がレーザー光に戻らないようにしている。光ファイバー保持部１３は光ファイバー１０、フェルール９、フェルールホルダ８からなっている。
【００３７】
フェルールホルダ８には、前もって穴明き石英ガラス７を界面で接着しておき、次に、光ファイバー入射端面にレーザ光が焦点を結ぶように、ガラス保持部１４を光軸方向に変位させ、調節し、図中Ｓの黒丸で示されている場所でレーザー溶接により固定する。この光軸焦点合せは２０μｍ程度の誤差が許容されるので容易である。
【００３８】
一方、穴明き石英ガラス７を界面で接着した光ファイバー保持部１３は、光軸に垂直方向に変位させることで光ファイバー出力光パワーが最大になるように調節し、穴明き石英ガラス７とガラス保持部１４の間に充填させてあった紫外光硬化樹脂をガラス表面から照射するランプで硬化させる。この調節、固定は０．５μｍ以下の精度で行う必要がある。
【００３９】
ところで、半導体レーザーは環境温度により波長が変動し、この波長変動でレンズの焦点位置が変動する。これはレンズの色収差と称されているが、波長が短くなるほど色収差は大きくなる。これを補償する目的で、本発明の図１の半導体レーザーモジュールでは半導体レーザー保持部２の材質を線膨張係数の大きいステンレス系のものを用いる。
【００４０】
即ち、環境温度が上昇し、レーザー波長が大きくなると、レンズによる結像位置が色収差により光ファイバー端面より後方に伸びることになる。一方、半導体レーザー保持部２は熱膨張で伸びるために半導体レーザーとレンズ間の距離が長くなり、レンズによる結像位置が前方のレンズ側に移動する。従って、ある程度、色収差による結像ずれが補正できることになる。
【００４１】
穴明き石英ガラスが接着されているガラス保持部１４のＡ部も線膨張係数の大きいステンレス系のものを用いると、この部分の環境温度上昇に伴う伸びは、レンズと光ファイバー間の距離を長くするので、色収差による結像ずれを補正する方向に働くことになる。
【００４２】
さらに、ガラス保持部１４のＡ部に半導体レーザー保持部２と同様の線膨張係数を持つステンレス系のものを用いる大きな利点は、大きな環境温度変化があっても図１のＳ部のレーザースポット溶接部に大きな応力が発生せず、変形を防止することが出来ることである。
【００４３】
ガラス保持部１４のＢ部は、石英ガラスとの接着界面であるために、接着剤、ガラスが環境温度変化に対して変形を生じないように、石英ガラスとの線膨張係数差の小さいインバー或いはコバールのようなものを選ぶ。
【００４４】
ガラス保持部１４のＡ部とＢ部の界面は、線膨張係数の異なる部材同士の接合となるが、円周方向に沿って隙間無く全周溶接を行うことにより、大きな環境温度変化にも十分耐えることが分かった。
【００４５】
図１に示す本実施例の半導体レーザーモジュールのレンズの焦点距離ｆは４．２ｍｍ、光学系倍率は−２．５倍、すなわち、ｍ＝２．５である。
【００４６】
従って、ｆ（１＋ｍ）２＝５１．５（ｍｍ）と設定されており、環境温度変化にも光ファイバ出力に変動が無い安定な光学系が実現可能である。
【００４７】
ガラス保持部１４のＡ部には活性炭などのガス吸着剤１５を装着し、シロキサンフリーのテープ１６で半導体レーザーモジュール全体を密封している。これは異物が外部から侵入することを防止するためと、内部で発生するガス状異物を吸着するためのものである。紫色半導体レーザーのような短波長レーザーは大きな光化学反応性を有するために、光ファイバー端面のような光照射密度の高い場所は汚染され易く、この構造の採用で汚染防止に有効である。
【００４８】
図５は、図１で示した吸着材１５の断面構造を示したものである。活性炭１５−１が、サブミクロンの穴径をもつ多孔質のフッ素系シート１５−２で被われている。多孔質のフッ素系シート１５−２は、空気を通過させることできるが、内部の活性炭１５−１が外部に飛び出ることを防いでいる。１５−３は、空気を通さないシートであり、粘着材が裏面に塗られているので、図１で示したように保持部１４に貼り付けることができる。
【００４９】
以上の説明において、吸着剤１５には活性炭１５−１が入っていることで説明したが、湿気に有効なシリカゲルそのもの、或いはそれを混ぜたものであっても良いし、他の合成材料による吸着材料でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施例である半導体レーザーモジュールの模式図である。
【図２】従来の半導体レーザーモジュールの模式図である。
【図３】半導体レーザーモジュール光学系動作解析に用いる図である。
【図４】レンズに用いられるガラスの波長による分散能の一例を計算した図である。
【図５】本発明で用いる吸着剤の構造を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…半導体レーザー、２…半導体レーザー保持部、４…ガラス保持部、６…穴部、７…穴明き石英ガラス、８…フェルール保持部、９…フェルール、１０…光ファイバー、１２…レンズ、１３…光ファイバー保持部、１４…ガラス保持部、１５…吸着剤、１５−１…活性炭、１５−２…多孔質フッ素系シート、１５−３…粘着材が裏面に塗られているシート、１６…テープである。
【図１】
2007094293.tif 000003
【図２】
2007094293.tif 000004
【図３】
2007094293.tif 000005
【図４】
2007094293.tif 000006
【図５】
2007094293.tif 000007